microRNA在ALI/ARDS发病机制中调节作用的研究进展

孙博睿 张文美 朱光发

首都医科大学附属北京安贞医院呼吸与危重症医学科100029

急性肺损伤 (acute lung injury,ALI)/ARDS是一种除心源性因素以外的肺内外因素导致的急性进展性呼吸衰竭,表现为顽固性低氧血症、呼吸窘迫、严重的氧合功能障碍、双肺广泛肺水肿、弥漫性肺泡透明膜形成[1]。其发生发展过程十分复杂,具体发生机制目前尚不完全清楚。近期不少研究表明microRNA 与ALI/ARDS的发生发展密切相关。

1 microRNA概述

micro RNA 是一种高度保守的小非编码RNA,长度常为18～25个核苷酸。其在细胞核内经RNA 聚合酶Ⅱ转录为长度约2 000 bp的原始microRNA,并通过核转运受体蛋白5及核蛋白Ran-GTP转运到胞质,最终在胞质中被核糖核酸酶ⅢDicer处理为成熟的microRNA。其能通过碱基互补配对特异性结合于目标m RNA 的3'-UTR,诱导其降解或抑制其翻译,从而间接地调节基因的表达。第22 版microRNA 数据库包含2 300个成熟microRNA,其中1 115个已被研究[2],其在心血管系统、呼吸系统、消化系统、免疫系统等诸多领域展现出广阔的前景。深入研究lncRNA、microRNA、circRNA 等非编码RNA 对于了解许多疾病的分子机制具有重要意义。

2 microRNA在ALI/ARDS中的表达概述

研究证实microRNA 在ALI/ARDS进程中发挥重要作用。既往关于ALI/ARDS 的研究发现在不同的模型中miR-7b、miR-21、miR-25等27 种不同microRNA 表达上调,miR-16、miR-23a、miR-24等10种不同microRNA 表达下调,参与调节ALI/ARDS进程[3]。近年来,随着研究的深入,人们在ALI/ARDS 模型中发现更多表达改变的microRNA。Rogers等[4]在放射诱导的小鼠肺损伤模型中发现,miR-7b-5p、miR-196b-5p、miR-10b-5p、miR-21a、miR-335-5p、 miR-34a-5p 表 达 上 调, miR-448-3p、miR-676-3p表达下调。Liang等[5]在脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)诱导的小鼠ALI/ARDS模型中发现miR-124-3p表达下调。miR-17、miR-221、miR-320a、miR-222等也被不同研究证实在ALI/ARDS进程中表达上调[6]。这些结果更加证实了microRNA 在ALI/ARDS中发挥着重要作用,值得进一步探究。

3 microRNA在炎症信号通路中的作用

过度的炎症反应是ALI/ARDS发生发展的重要机制之一。而炎症相关信号通路的异常在炎症-抗炎失衡中具有重要意义。既往许多研究证实Toll样受体通路、MAPK 通路、TGF-β通路、VEGF 通路、钙信号通路等经典通路在ALI/ARDS进展及恢复过程中发挥重要作用。近年来不少研究表明,红系衍生核因子2 相关因子2 (nuclear factor erythroid 2 related factor 2,Nrf2)/血红素加氧酶1 (heme oxygenase 1,HO-1)信号通路、核转录因子κB (nuclear factor kappa-B,NF-κB)通 路、PI3K/Akt/m TOR 通 路 等其他通路亦与ALI/ARDS进程密切相关,同时micro RNA可调控这些炎症相关信号通路参与ALI/ARDS发生,下面介绍几个具有代表性的通路。

3.1 Nrf2/HO-1通路 Nrf2/HO-1通路在ARDS进展中发挥重要作用[7]。Liu等[8]发现紫堇醇灵碱能够通过激活Nrf2途径减轻LPS诱导的小鼠ALI。最新的研究证实,许多microRNA 能够通过调节Nrf2/HO-1信号通路水平参与ALI/ARDS发展进程。Huang等[9]在LPS诱导的小鼠模型中发现miR-27b的下调能够增加Nrf2、HO-1的表达,抑制NF-κB途径,减弱炎症反应,为深入探究ARDS发生机制提供了新的参考。Ling等[10]在脓毒症相关的ARDS小鼠模型中发现miR-494负向调控NPO1,进而阻断Nrf2信号通路,加重肺损伤。

3.2 NF-κB通路 NF-κB通路是经典的信号转导通路,其在许多生理过程、疾病进程中发挥重要作用。Azizoˇglu等[11]通过LPS诱导的小鼠ALI模型对已知与NF-κB 通路相关的microRNA 进行评价,推论miR-7a-5p、miR-7b、miR-9a-5p、miR-21-5p、miR-124-3p、miR-138-5p 可能加重NF-κB介导的ARDS。Kong等[12]通过收集120 例严重肺炎患者血标本分析及动物实验,发现miR-216a 调节NF-κB通路减轻ALI。Yang等[13]在LPS诱导的ALI模型中发现miR-182负性调节Toll样受体 (Toll-like receptors,TLR)/NF-κB通路,改善LPS诱导的ALI。

3.3 Akt通路 Akt通路也是ALI/ARDS 的研究热点之一。Xu等[14]在LPS诱导肺泡表皮细胞A549ALI模型中发现miR-92a抑制剂通过Akt/m TOR 通路在LPS诱导的细胞损伤中起到保护作用。Zhou 等[15]在LPS 诱导的小鼠ARDS 模 型 中 发 现,间 质 细 胞 TCs (Telocytes) 中miR-21a-3p可调节PI3K (p110α)/Akt/m TOR 途径,促进肺组织修复及血管生成,利于ARDS 的恢复。Xu 和Zhou[16]通过LPS 诱导人肺微血管上皮细胞损伤模拟ARDS,发现miR-92a可通过PI3K/Akt途径作用于整联蛋白α5 加重人肺微血管上皮细胞在ARDS 中的屏障功能紊乱。

3.4 信号通路的负反馈机制 信号转导通路中存在的负反馈机制在ALI/ARDS的治疗方向上具有一定参考价值。研究表明,miR-106a、miR-146、miR-155、miR-210 等均可作为信号转导通路的负反馈调节因子,负反馈调节TLR、Akt通路,或将为药物治疗提供新靶点[17-18]。

4 microRNA在免疫反应调节中的作用

免疫反应包括固有免疫和适应性免疫,在机体受到损伤刺激后激活。micro RNA 在免疫细胞中具有独特的表达谱,表明其在免疫应答中具有潜在作用。免疫系统细胞中有100种不同microRNA 表达,它们不仅可以调节免疫系统的发育,还可以调控免疫细胞的激活、增殖和分化以及免疫分子的产生。免疫反应紊乱是ARDS的重要发生机制之一,与免疫物质表达异常、免疫细胞和免疫组织的功能失调密切相关。

固有免疫是机体先天具有的防御屏障,由组织屏障(如皮肤黏膜等)、固有免疫细胞 (巨噬细胞、树突状细胞、自然杀伤细胞、中性粒细胞等)、固有免疫分子 (补体等)构成,为抵抗各种感染、炎症、损伤等入侵的第一道防线。研究表明,miR-146、miR-155、miR-125、miR-9、let-7以及miR-181b等的表达改变参与了ARDS进程中固有免疫的调节[3]。在LPS诱导的小鼠ARDS模型中,miR-124-3p靶向结合p65,促进巨噬细胞凋亡,在ARDS中起到保护作用[5]。He等[19]发现miR-146b过表达抑制LPS 处理的肺泡巨噬细胞释放肿瘤坏死因子α、IL-1β等炎症因子,减轻炎症反应。Goodwin 等[20]发现miR-887-3p 促进中性粒细胞的迁移,加剧ARDS 免疫炎症发展。此外miR-181b可抑制NF-κB,调控促炎因子释放,参与免疫细胞迁移、组织重构等,在固有免疫调控中发挥重要作用[3]。

microRNA 在适应性免疫过程中也发挥重要作用。适应性免疫是机体后天获得的抵抗感染的能力,对特定抗原发生特异性反应。主要涉及到T 细胞、B细胞的扩增与激活,及其引发细胞毒作用或抗体的合成分泌增加。研究表明,miR-126、miR-155等诸多microRNA 可调控适应性免疫[3]。Wang 等[21]选取发病6 周内影像学评分改善的COVID-19感染者以及影像学评分未改善的COVID-19 感染者各6例进行病例对照研究,发现T 细胞免疫的减弱与COVID-19所引发的ARDS病情严重密切相关。谭雯[22]在LPS诱导的小鼠ARDS模型中发现调节性T 细胞对ARDS具有保护作用。但目前关于microRNA 对能够缓解ARDS损伤的淋巴细胞的调控作用研究尚显缺乏,有待进一步探索。

5 microRNA的调控

随着分子生物学飞速发展,越来越多的RNA 被发现。非编码RNA 已成为研究热点,比如线性RNA 中的长链非编码RNA (long non-coding RNA,lncRNA) (＞200 nt)和小非编码RNA (＜200 nt),以及环状RNA (circular RNA,circRNA)等。目前多项研究表明非编码RNA 可作为竞争性内源 RNA (competing endogenous RNA,ceRNA),负性调节microRNA 表达,从而参与疾病进程[23]。ceRNA 机制是一种重要的转录后调控机制,即lncRNA、circRNA 等ceRNA 含有某些相同的micro RNA结合位点,可通过竞争性结合共同的microRNA 减弱其对靶基因的抑制,提高靶基因的表达水平,进而调控疾病进程。因其能可逆结合microRNA,起到暂时储存游离microRNA 的作用,故又称这类分子为 “microRNA 海绵”。多项研究表明非编码RNA 可通过 “microRNA 海绵”作用与microRNA 相互作用,调控免疫炎症反应,参与ALI/ARDS发生发展。

5.1 lncRNA 调控microRNA 作用 lncRNA 是最常见的非编码RNA,长度大约200～100 000 bp,目前已从人类基因组中确定了9 640种lncRNA,其在剂量补偿效应、表观遗传调控、细胞周期调控、细胞分化调控等诸多方面发挥重要作用。近年来不少研究表明,lncRNA 通过ceRNA机制参与ARDS的炎症反应调节。Yang等[24]通过对比102例ARDS患者与100 名健康成人的临床观察性研究发现lncRNA-NEAT1抑制下游保护性miR-125a增加ARDS风险。lncRNA MALAT1作为ceRNA,可直接结合并抑制多种microRNA,在ARDS进展中发挥重要作用。Yao等[25]通过ARDS 患者血液样本分析及细胞实验发现lncRNA MALAT1抑制下游miR-150-5p,上调ICAM-1的表达,加重ARDS。Liu 等[26]发 现lncRNA MALAT1/miR-125a 轴对脓毒症的严重程度、组织损伤、炎症水平的评估具有重要 意 义。Zhang 等[27]在LPS 诱 导 的ALI 模 型 中 发 现lncRNA XIST 可减弱miR-370-3p 对TLR4/JAK/STAT/NF-κB通路的抑制,加重LPS诱导的人胚肺成纤维细胞凋亡和炎症反应。

5.2 circRNA 通 过 “microRNA 海 绵” 作 用 调 控microRNA circRNA 是一种特殊的非编码RNA,与线性RNA 不同,不含5'端帽子和3'端多聚A 尾巴,其分子呈封闭环状结构,不受RNA 外切酶影响,表达更稳定,不易降解。在LPS诱导的小鼠ALI研究中,研究者发现小鼠肺 组 织 中 mmu-circRNA-42341、mmu-circRNA-44122、mmu-circRNA-44123 表 达 上 调,mmu-circRNA-010498、mmu-circRNA-25030表达下调。同时发现circRNA 的表达改变与细胞代谢等活动密切相关,并且主要调控MAPK、黏着斑、神经营养因子、Wnt 等信号通路参与ALI 进程[28]。在脓毒症小鼠ALI模型中,研究者发现肺组织中11个circRNA 表达上调及126个circRNA 表达下调,其中3 个 候 选circRNA:chr17:71273374-71275287-、chr14:57733878-57734418-、chr18:10119885-10132272-分别抑制mmu-miR-7c-5p、mmu-miR-132-3p、mmu-miR-124-3p 促进巨噬细胞分化,加重炎症反应,参与ALI的发生[29]。因而,circRNA 可 通 过 “microRNA 海 绵”的 作 用 改 变microRNA 的功能,广泛参与到代谢过程、翻译后修饰等生物学过程,亦可参与到信号通路的调节,最终影响引发ALI/ARDS的瀑布样炎症反应。

6 小结与展望

综上所述,在ALI/ARDS 的发病进程中,microRNA能够调控Nrf-2、ICAM-1、Akt、PI3K 等多种基因表达及NF-κB、Akt、Nrf2/HO-1等信号通路,进而调节肺内和全身的炎症反应和巨噬细胞、中性粒细胞和淋巴细胞等免疫细胞的分化和凋亡,影响ALI/ARDS 的发生和发展。microRNA 种类繁多,其表达又受到lncRNA、circRNA 等其他多种非编码RNA 的调节,形成十分复杂的调控网络。对microRNA 在ALI/ARDS发生发展过程中起到的调控机制的深入探究不仅能够帮助人们进一步了解ALI/ARDS的发生机制,还可能为其治疗寻找到新的药物,因而具有重要意义。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突